随机车辆荷载下大跨钢桥伸缩缝纵向位移响应及病害控制研究_韩大章.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 24 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．24 2019 基金项目江苏省杰出青年基金 BK20130023 收稿日期2019 －04 －18修改稿收到日期2019 －06 －04 第一作者 韩大章 男， 硕士， 研究员， 1964 年生 通信作者 郭彤 男， 博士， 教授， 1977 年生 随机车辆荷载下大跨钢桥伸缩缝纵向位移响应及病害控制研究 韩大章1，郭彤2，黄灵宇2，刘中祥2 1． 中设设计集团股份有限公司， 南京210005; 2． 东南大学土木工程学院， 南京 210096 摘要伸缩缝是桥梁结构中的易损部件之一， 而大跨钢桥由于柔性大， 对振动较为敏感， 其伸缩缝病害更为突 出。为控制大跨钢桥的伸缩缝病害， 结合随机车辆荷载模型和有限元分析， 建立了一种随机车流下伸缩缝位移响应的分 析方法。研究了车速、 车致振动频率、 车流量和重型车对伸缩缝纵向位移的影响， 发现当车速和振动频率较高、 车流量较 大、 重型车比例较高时， 伸缩缝的累计位移显著增大。基于上述研究， 提出两类车流限速和增设梁端阻尼器的措施， 以控 制伸缩缝病害。分析结果表明 与分时段限速措施相比， 分车型限速的效果更为明显; 在梁端增设黏滞阻尼器后， 伸缩缝 位移幅值、 累计位移和高频位移都有显著的降低。 关键词随机车流; 伸缩缝; 有限元分析; 累计位移; 黏滞阻尼器; 限速 中图分类号TH212; TH213． 3文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 24． 024 A study on longitudinal displacements and damage control of expansion joints of long- span steel bridges under stochastic traffic loads HAN Dazhang1，GUO Tong2，HUANG Lingyu2，LIU Zhongxiang2 1． China Design Group Co． ，Ltd． ，Nanjing 210005，China; 2． School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China Abstract An expansion joint is one of the vulnerable bridge parts，and for long- span steel bridges，which are vibration sensitive due to high flexibility，their expansion joints encounter more significant damage． To control the damage of expansion joints of long- span steel bridges，an approach for analyzing the displacements of expansion joints under stochastic traffic flow was established，based on the stochastic vehicle model and finite element analysis． The influence of speed，vehicle- induced vibration frequency， traffic volume and heavy traffic on longitudinal displacements was investigated，and it is found that with higher vehicle speed and vibration frequency，larger traffic volume and more heavy vehicles，the cumulative displacements of expansion joints significantly increase． Two kinds of traffic limit measures and installing viscous dampers at beam ends are suggested，so as to control the damage of expansion joints． Analysis results show that the vehicle- type based measure is more effective than the time- based measure． After the use of viscous dampers at beam ends，there is a significant reduce in displacement amplitude，cumulative displacement and high- frequency displacements． Key wordsstochastic traffic flow;expansion joint;finite element analysis;cumulative displacement;viscous damper;speed limit 桥梁伸缩缝是设置在梁端与桥台或梁段间的伸缩 装置， 主要用于调节车辆荷载、 温度等引起的梁体纵向 运动和变形以及防止地震中的梁体碰撞等［1 － 2 ］。作为 桥梁上部结构的连接部件， 伸缩缝的性能不仅直接影 响着行车的安全与舒适性， 还关系着桥梁整体结构的 动力响应。然而， 在车辆荷载等反复作用下， 伸缩缝往 往会因发生过早的损伤而需频繁的维护更换［3 ］。例 如， 主跨 1 385 m 的江阴大桥在 1999 年建成通车时两 端各安装了一个转轴式伸缩缝 最大位移范围为 1 000 mm ， 仅 4 年后纵梁与承载箱连接处就出现了 上下滑动支座脱落及纵梁滑板损坏等病害， 且经过多 次维修后仍不能满足使用要求， 故于 2007 年进行了整 体更换 ［4 ］。近年来频现的损伤案例表明 伸缩缝是桥 梁结构中的易损部件之一， 而大跨钢桥由于柔性大， 对 振动较为敏感， 其伸缩缝病害更为突出， 故对其在运营 状态下的真实性能还有待更深入的研究。此外， 桥梁 伸缩缝病害的维护不仅昂贵 往往会花费 20 以上的 ChaoXing 维护费用 ［5 ］ ， 而且会造成交通中断、 结构功能退化等 间接影响。因此， 桥梁伸缩缝的病害问题引起了国内 外广大学者的关注。 正常运营状态下， 桥梁伸缩缝受到车辆荷载的竖 向冲击和水平作用。对于伸缩缝的车致竖向冲击振动 响应及病害， 目前国内外学者已进行了深入地研 究 ［6 －9 ］， 分析了伸缩缝的抗冲击性能、 伸缩缝致跳车对 结构的影响、 伸缩缝的疲劳寿命以及车辆经过时伸缩 缝噪声的产生机理和传递特征等， 同时在有关伸缩缝 设计和试验的规范中给出了设计、 制作及安装的指 南 ［10 － 11 ］。然而， 以往有关桥梁伸缩缝纵向运动的研究 多侧重于超限位移损伤的机理、 极端荷载下纵向响应 分析等方面， 忽视了纵向位移的累积效应， 并不能有效 揭示反复车辆荷载作用下桥梁伸缩缝纵向运动所致病 害的机理， 且鲜有涉及此类病害控制的分析。此外， 大 跨桥梁中大型伸缩缝的滑动支承往往采用 PTFE 材料， 其滑动失效寿命往往只有 20 km。因此， 累积位移的研 究以及控制变得尤为重要。 为控制大跨钢桥的伸缩缝病害， 本文以润扬悬索 桥为工程背景， 结合随机车辆荷载模型和桥梁有限元 分析， 建立了一种随机车流下伸缩缝位移响应的分析 方法， 分析了车速、 车致振动频率、 车流量和重型车对 伸缩缝纵向位移的影响， 并研究了所提出的车流限速 和增设梁端阻尼器的措施控制伸缩缝病害的效果。 1桥梁概况及伸缩缝病害 1． 1桥梁概况 润扬悬索桥 ［12 ］是主跨为 1 490 m 的双塔双索面悬 索桥。主 梁 为 单 箱 单 室 扁 平 流 线 型 全 焊 钢 箱 梁 Q345D 级钢 ， 其截面最高为 3m， 双向六车道的桥面 全宽 36． 3 m 见图 1 。该桥两端的引桥和桥塔之间分 别并行安装了两个当时世界最大行程 2 160 mm 的模 数式伸缩缝 ［13 ］。其结构主要包括革命文物两根 Z 型 边钢梁、 26 根 I 型中钢梁、 纵向支撑梁、 位移控制弹簧、 滑动支撑、 压紧支撑、 锚箱等 见图 2 。其中边钢梁由 锚固件与伸缩缝两侧的桥面板相连， 边/中钢梁上翼缘 间设置鸟型防水密封胶条 构成伸缩体 ; 支承梁 多 根 穿过中钢梁的吊架嵌入到两侧桥体内的锚固箱中， 并与一侧锚固箱相连; 吊架与支承梁通过滑动支承和 压紧支撑相连， 以保证中钢梁能够在支承梁上自由滑 动。此外， 中钢梁下翼缘间无吊架处间隔设置了位移 控制弹簧 橡胶柱 。当车辆通过伸缩缝时， 荷载通过 中钢梁、 滑动支承、 位移控制弹簧传递到支承梁上， 再 通过锚固箱内滑动支承和压紧支承传递至两侧桥体 上。与此同时， 位移控制弹簧发生剪切变形， 将车辆所 致纵向位移分配至各单独移动的中钢梁间隙中。 图 1润扬悬索桥体系布置 Fig． 1 Layout of the Runyang suspension bridge RSB 图 2模数式伸缩缝的构造 Fig． 2 Configuration of modular expansion joint 1． 2伸缩缝病害 润扬悬索桥于 2005 年建成， 然而通车后不久就观 测到其伸缩缝有较大的位移。现场调查发现部分滑动 支撑和压紧支撑存在严重的磨损、 位移控制弹簧出现 开裂或顶部螺帽脱落、 吊架发生变形等病害 见图 3 。 2007 年对伸缩缝进行了较大的修复， 在轴承部位加入 了高性能滑动材料并安装了限位带 允许吊架之间的 最大相对运动为 80 mm ［14 ］， 目前每年仍需要大量维 修。2016 年的现场调查发现仍存在严重的位移控制弹 簧开裂及螺帽脱落等问题， 其中与主跨钢箱梁连接处 的位移控制弹簧病害尤为严重。此外， 靠近引桥的吊 架发生了变形， 一些限位带也被损坏。 图 3润扬悬索桥伸缩缝典型病害 Fig． 3 Typical damage of expansion joints in the RSB 2随机车流下伸缩缝位移响应分析方法 2． 1有限元建模及校对 润扬大桥悬索桥的三维有限元模型如图 4 所示。 其中桥塔采用三维等参梁单元 Beam4 单元 模拟; 吊 371第 24 期韩大章等随机车辆荷载下大跨钢桥伸缩缝纵向位移响应及病害控制研究 ChaoXing 索和主缆使用只承拉不受压的三维线弹性杆单元 LINK10 单元 模拟， 其初始应变由平衡状态下实测索 受力计算确定; 钢箱梁由 Beam4 单元组成的脊骨梁模 型来模拟， 主梁 脊骨 通过垂直于梁的无质量刚性梁 与吊索连接。材料特性和实常数 即横截面积， 惯性矩 等 按设计参数计算获得并分配给相应的单元。为获 得较为精确的桥梁纵向位移， 采用具有弹簧和阻尼器 特性的 Combin37 单元模拟力 － 速度非线性特性 ［15 ］ ， 如 式 1 所示。 f cv αsgn v 1 式中 c 为阻尼系数， 取值为 3 750 kN ms － α; α 为 常数指数， α 0． 4; ν 为阻尼器两端的相对位移速度; sgn ν 为符号函数， 显示阻尼力方向。 图 4润扬大桥悬索桥有限元模型 Fig． 4 Finite element model of the RSB 为验证模型的有效性， 以模态频率和两个竣工验 收工况的实测数据进行了有限元模型校验分析。实测 中桥梁的一阶侧弯、 一阶竖弯和一阶扭转模态所对应 的频率分别为 0． 058 6 Hz， 0． 122 1 Hz 和 0． 239 8 Hz。 由模态分析可知， 这三个主要振型的计算频率分别为 0． 051 2 Hz， 0． 126 0 Hz 和0． 212 1 Hz， 与测试值吻合较 好。竣工验收时车队静载布置于桥面上引起桥端位移 的实测数据如表 1 所示 扣除温度作用 。该竣工验收 工况中车辆荷载均为单车重300 kN 的52 辆自卸货车。 加载车辆均重 300 kN， 前轴重 60 kN， 中轴和后轴轴重 均为 120 kN; 车辆的中前轴轴距为 3． 5 m， 中后车轴轴 距为 1． 3 m， 前轮距为 1． 7 m， 中后轮距均为 2． 0 m。这 些车辆分成 4 行 13 列分布在内车道和中车道， 相邻行 的中车轴间距 16． 1 m。其中工况 1 和工况 2 中第 7 列 车辆的中车轴到跨中的距离分别为 273． 7 m 和 0 m。 由表 1 的分析结果可知， 两工况下主梁两端纵向相对 位移的计算值也均与测试值吻合较好。这表明所建立 的有限元模型能够表征伸缩缝的纵向位移。 2． 2随机车辆模型 为了模拟实际车流， 基于高速公路称重收费系统 调取的车辆荷载数据和车流监控录像的图像识别技 术， 建立了随机车辆模型 ［16 ］， 包括车数、 车型、 轴数、 轴 重、 车速等分布信息。其中多数轴重分布符合正态或 对数正态分布规律 ［17 ］， 可直接用这两种概率密度函数 加以描述; 部分轴重分布呈现两峰或多峰的特征， 可采 用两个或三个正态概率密度函数的加权组合加以表 示 ［18 ］， 如式 2 所示。 表 1主梁两端顺桥向位移 Tab． 1 Longitudinal displacement at two ends of the girder 工况测试值/mm计算值/mm 1南端472． 0482． 60 北端463． 1451． 80 2南端7． 38． 87 北端10． 510． 28 f yc， w， θ∑ c i 1 wifi y | θi ，∑ c i 1 wi 1 2 式中f y c，w，θ 为混合概率密度函数; fi y θi为 第 i 个单峰概率密度函数; wi和 θi分别为第 i 个概率密 度函数的权重系数和参数。 2． 3随机车流位移响应分析方法 为了定量分析实际车流下伸缩缝的位移响应， 本 文结合桥梁有限元模型和随机车辆模型提出了一种伸 缩缝位移响应分析方法。该方法可结合有限元分析模 拟实际车辆荷载下大跨桥梁伸缩缝的位移响应， 其具 体流程如下 步骤 1基于车辆信息建立随机车辆模型; 步骤 2在 Matlab 中根据随机车辆荷载模型抽样生成 的车辆样本集， 包括抽样轴重、 轴距、 车速以及行驶方 向等信息; 步骤 3通过均匀抽样为每个车辆样本配置上桥时间 点， 其中时间样本范围为 3 600 s 1 h ; 步骤 4根据样本上桥时间点、 车速、 轴距以及荷载步数 计算获得每个荷载步下桥梁各节点的加载数据 即车流 数据 ， 当车轴位置没有节点时， 将轴重按车轴位置到对 应单元两端节点的距离反比例分配到两端节点上; 步骤 5将各荷载步的加载数据依次调入有限元模型 并进行瞬态动力学分析， 提取伸缩缝纵向位移时程并 进行后续研究。 3有限元分析 3． 1车速对伸缩缝的影响 在2011 年 7 月 28 日2011 年 8 月 31 日的 35 天 内， 桥梁上通过车辆共计 371 167 辆， 则平均每小时通过 润扬桥的车辆数为 442 辆， 平均每侧 221 辆。以该期间 过桥的辆车为样本， 结合大桥的车辆收费分类方式以及 车辆的轴数特征， 将样本车辆分为六种车型， 统计分析建 立随机车辆模型。该模型六种车型的车辆关键信息如图 5 所示。由于样本统计时间较长， 通过该模型抽样生成 471振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 的车流量较好地反映了实际交通荷载状况。 图 5车辆信息模型 Fig． 5 Vehicle ination model 采用该随机车辆模型抽样生成车速分别为 100 ～ 110 km/h 高速 、 70 ～80 km/h 中速 和 30 ～40 km/h 低速 三个样本集， 并分别进行随机车流下伸缩缝位 移响应分析。图 6 a 给出了高速、 中速和低速三种情 况下， 车流通过润扬大桥时伸缩缝的纵桥向位移时程 曲线。对比各位移时程曲线可知， 不同车流速度下伸 缩缝的纵桥向位移差别较大， 高速行驶的车流比低速 行驶的车流能够引起伸缩缝产生更多振幅较大的高频 振动。因此， 高速行驶的车流会导致伸缩缝的累计位 移迅速增加。 图 6 b 进一步给出了这三种车速下伸缩缝的位 移频谱图。总体而言， 在低速车流通过时伸缩缝的低 频位移量较多， 高频位移量较少; 在高速车流通过时其 高频位移量较多， 低频位移量较少。由此可见， 高速行 驶的车辆会给桥梁带来非常可观的高频振动， 使伸缩 缝的纵向运动更为显著。此外， 三种车速下伸缩缝的 位移频谱均在 0． 045 ～ 0． 05 Hz， 0． 08 ～ 0． 09 Hz 和 0． 115 ～0． 125 Hz 这三个频段出现峰值， 说明桥梁在这 些频段内比较容易发生共振， 需要加以避免。 表 2 所示为由伸缩缝位移时程计算得到的不同车 速范围下车流过桥所引起的伸缩缝累计位移。由表 2 可知， 累计位移与伸缩缝高频位移量成正比， 高频位移 量越多， 累计位移越大。当车流由中速提升到高速行 驶通过桥梁时， 伸缩缝的小时累计位移由 2． 39 m 提升 到 6． 60 m， 增长量超过 2． 7 倍。考虑到伸缩缝滑动支 承 PTFE 材料 的滑动失效寿命的测验值只有 20 km， 那么中速和高速车流下伸缩缝的有效工作时间将分别 约为 9． 6 年和 3． 5 年; 而滑动支承受损后滑动摩擦因 数会急剧增大， 导致伸缩缝滑动受阻而无法正常工作， 故其寿命可能会更低。由此建议桥梁维护单位应控制 车辆过桥的速度， 限速范围为 70 ～80 km/h 左右， 并应 限制超速行为。 图 6车流以不同车速过桥时伸缩缝纵向位移 Fig．6 Longitudinal displacement of expansion joints when vehicle flow crossing bridges at different vehicle speeds 表 2车流以不同车速过桥时伸缩缝纵向累计位移 Tab． 2 Cumulative longitudinal displacement of expansion joints when vehicle flow crossing bridges at different speeds 车速/ kmh －1 高频位移低频位移 累计位移/ kmh －1 30 ～40少多2． 06 70 ～80中中2． 39 100 ～110多少6． 60 571第 24 期韩大章等随机车辆荷载下大跨钢桥伸缩缝纵向位移响应及病害控制研究 ChaoXing 3． 2极端工况下伸缩缝位移分析 在 “ 3． 1” 节的有限元模拟中， 每小时过桥车辆总数 是通过车流量的月平均值计算确定的， 故分析所得的 结果符合正常运营时的情况 平均水平 。然而， 实际 状况中往往会出现车流量剧增和车流中重型车比例较 大两类极端不利情况。例如， 节假日的车流量突增和 夜晚小型车较少、 重型车较多的情况。图 7 所示为 2011 年 8 月 16 日各时段车流量的平均值和各车型车 辆数占比情况。总体而言， 中午时段内过桥的车辆较 多， 而夜晚时段内过桥的车辆显著减少。对比图 7 中 各车型所占比例可知， 白天车辆数较多， 但以小车 车 型 1 为主; 晚上车辆数减少， 但是主要为重型车 车型 5 和车型 6 。其中 1 型车在日间 8 ∶ 0020 ∶ 00 占比 较高， 5 型和 6 型车在夜间 20 ∶ 00次日 8 ∶ 00 占比 较高。 图 7车流情况 2011 年 8 月 16 日 Fig． 7 Ination of traffic flow August 16， 2011 分别以 14 ∶ 0015 ∶ 00 车流量大 和 4 ∶ 00 5 ∶ 00 重型车比例高 的车辆数据为样本， 生成随机车 流。表 3 给出了这两个时段的车流量的时平均值和各 车型车辆数占比抽样情况。当车辆样本集的车速范围 为 70 ～80 km/h 时， 在上述两种交通状况下伸缩缝的 纵向累计位移如表 3 所示。表 3 同时展示了“3． 1” 节 平均水平交通状况下的数据， 以作为参照。 表 3三种交通状况下抽样样本情况及伸缩缝纵向累计位移 Tab． 3 Sample ination and longitudinal cumulative displacement of expansion joints under three traffic conditions 交通状况 时平均值/ 辆h －1 车型占比/ 1 型 5 型 6 型 累计位移/ kmh －1 车流量较大1 12888． 011． 217． 364． 75 重车占比高27627． 464． 9361． 276． 23 平均水平44276． 662． 5416． 942． 39 可以看出， 在车流量较大和重型车比例高这两种 较为极端的交通状况下， 伸缩缝累计位移都会显著增 加。在车流量较大的交通状况下， 车辆总数为平均水 平的 2． 5 倍， 伸缩缝累计位移增加到平时交通状况下 的 2 倍左右。这说明尽管小型车辆重量不大， 但由于 其数量众多， 对桥梁伸缩缝的累计位移量也存在显著 影响。此外， 在重型车较多的工况中， 即使在车辆总数 仅为平均水平的一半左右， 其伸缩缝累计位移甚至超 过了平时情况下的 2． 5 倍。由此可知， 重型车 车型 5、 车型 6 的增加会显著增加伸缩缝的累计位移， 加剧伸 缩缝的病害。因此， 在桥梁后期保养中需要重点关注 车流量较大和重型车比例高这两种交通状况， 优先控 制重型车辆的比例、 轴重大小及车速， 其次在车流高峰 期可适当采取限流措施。 此外， 图 8 给出了平均水平和两种极端交通状况 下伸缩缝位移频谱。由该图 8 可知， 两种极端交通状 况时的伸缩缝位移的强度在大多数频段上都高于其在 平均水平交通状况时的强度。对比平均水平交通状况 下 0． 025 ～ 0． 03 Hz、 0． 08 ～ 0． 09 Hz 以及 0． 115 ～ 0． 125 Hz这三个主要频段的强度发现 这三个频段上 的强度在车流量较大的交通状况下均有所增加; 而低 频段上的强度在重型车比例高的交通状况中却有所下 降。这说明车辆数的增加会导致高频位移量的增加， 而重型车则容易在后两个高频段内引起桥梁的共振。 图 8三种交通状况下伸缩缝的纵向位移频谱 Fig． 8 Displacement spectrum of expansion joint under three traffic conditions 3． 3两种限速措施对伸缩缝位移的影响 大跨钢桥伸缩缝纵向位移响应与车辆荷载特性之 间存在着较高的相关性［19 ］， 其中车流速度的提高会导 致伸缩缝纵向高频位移量的增加， 从而造成累计位移 的增长。此外， 经过桥梁的小型车虽数量多但自重较 轻， 故其对梁端位移响应产生的影响较为有限; 而大型 车辆， 特别是载重货车， 虽然数量较少， 但其经过桥梁 时会引起梁端承受更多幅度较大的高频位移。因此， 车速较大的重型车辆是引发伸缩缝病害关键因素。基 于以上分析， 本文提出两种限速措施 ①分车型限速措 施，小 型 车 按 照 高 速 公 路 设 计 时 速 限 速 100 km/h［20 ］ ， 大型载重货车按照设计时速的 70 ～ 80限速; ②分时段限速， 8 ∶ 0020 ∶ 00 按高速公路设 计时速限速， 20 ∶ 00次日 8 ∶ 00 按设计时速的70 ～ 80限速。由于夜间重型车所占比例较高， 故分时段限 速措施从本质上也是限制对载重车辆的车速。 以2011 年8 月16 日的车流量数据为例， 根据所提 的两种限速措施进行车辆抽样生成随机车流， 分析伸 缩缝位移响应。与桥梁原 100 km/h 限速措施的结果 671振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 日累计位移量为 122． 29 m 相比发现， 限速措施①可 以将累计位移降低 16． 88， 限速措施②可以将累计位 移降低 7． 98。因此， 两种方法对伸缩缝纵向位移的 控制具有一定的效果， 可用于缓解伸缩缝病害。 3． 4塔梁阻尼器对伸缩缝位移的影响 为研究塔梁阻尼器对伸缩缝位移的控制作用， 在 主梁两端增设两只黏滞阻尼器， 以 COMBIN37 单元进 行模拟。其中黏滞阻尼器的常数指数 α 0． 5， 阻尼系 数 c 6 000 kN ms － α 。由 “ 3． 1” 节的随机车辆模 型抽样生成样本集， 考虑塔梁阻尼器进行随机车流下 伸缩缝位移响应分析并与未考虑塔梁阻尼器的伸缩缝 纵向位移响进行对比。图 9 所示为车速范围为 70 ～ 80 km/h时有无塔梁阻尼器下伸缩缝位移时程由图可 知， 阻尼器限制了较为高频的位移， 在一定程度上降低 了高频位移的幅值。 图 9有无桥塔阻尼器下伸缩缝纵向位移相应 Fig． 9 Displacement response of expansion joint with or without tower damper 图 10 进一步给出了有无塔梁阻尼器下伸缩缝纵 向位移时程 见图 9 的频谱图。结果显示 在 0 ～ 0． 05 Hz的频段上， 阻尼器的影响并不是很明显， 但增 设桥塔阻尼器会使较高频段上的强度大幅降低。例 如， 在 0． 08 Hz 左右的频段上， 峰值位移从 8． 2 dB 下降 到 2． 12 dB; 在 0． 12 Hz 左右的频段上， 峰值位移从 11 dB下降到 2． 82 dB， 阻尼器的作用使其分别减少了 74． 14 和 74． 36。此外增设塔梁阻尼器后， 伸缩缝 的累计位移从4． 28 m/h 降至2． 03 m/h， 下降了52． 6 左右。故高频位移及幅值的减小可以大幅降低梁端的 累计位移， 实现病害控制， 从而延长伸缩缝的使用 寿命。 图 10有无桥塔阻尼器下的伸缩缝纵向位移频谱 Fig． 10 Displacement spectrum of expansion joint with or without tower damper 为了确定阻尼器参数的影响， 进行了阻尼系数 c 和 常数指数 α 对伸缩缝纵向累计位移的敏感性分析， 如 图 11 所示。当常数指数 α 分别为 0． 3， 0． 5， 0． 7 和 0． 9 时， 阻尼系数 c 由 1 000 kN ms － α 增至 30 000 kN ms － α ， 伸缩缝累计位移分别下降了 69 ～ 96， 42 ～79， 20 ～59 和 7 ～36; 当阻尼系 数 c 取不同值时， 常数指数由 0． 9 降到 0． 3， 伸缩缝累 计位移分别减小了 7 ～ 69， 11 ～ 77， 14 ～ 82， 18 ～86， 24 ～90 和 36 ～96。由此可 见， 通过合理选择常数指数和阻尼系数， 可以明显降低 伸缩缝纵向累计位移。 图 11阻尼器参数对累计位移的敏感性分析 Fig． 11 Sensitivity analysis of damper parameters to longitudinal cumulative displacement 4结论 本文结合随机车辆荷载模型和有限元分析， 建立 了一种随机车流下伸缩缝位移响应的分析方法。研究 了车速、 车致振动频率、 车流量和重型车对伸缩缝纵向 位移的影响， 并定量分析了分车型限速和分时段限速 以及增设桥塔阻尼器对控制伸缩缝病害的效果。根据 本文的研究， 可以得出以下结论 1 由车辆荷载引起的桥梁纵向位移是伸缩缝累 计位移的重要成因之一， 其中车速和车致振动的频率 对累计位移的影响很大。较大的车速和较高的振动频 率能够引起伸缩缝产生更多振幅较大的高频振动， 从 而导致累计位移迅速增加。车流由中速提高到高速 时， 累计位移会急剧增加， 显著地降低伸缩缝的使用寿 命， 故宜控制上桥车辆的车速。 2 车流量较大和重型车比例高这两种较为极端 的交通状况会显著地增加伸缩缝的累计位移， 而重型 车的影响更为显著。车辆数的增加会导致高频位移量 的增加， 而重型车的作用容易在后两个高频段内引起 桥梁的共振。因此， 在桥梁后期保养中需要重点关注 这两种交通状况， 优先控制重型车辆的比例， 其次在车 流高峰期可适当采取限流措施。 3 所提出分车型限速和分时段限速方案均能显著 降低伸缩缝纵向位移累计位移， 可用于缓解伸缩缝病害， 其中分车型限速方案效果更为明显。此外， 增设桥塔阻 771第 24 期韩大章等随机车辆荷载下大跨钢桥伸缩缝纵向位移响应及病害控制研究 ChaoXing 尼器可显著降低伸缩缝位移幅值、 累计位移和高频位移， 减小常数指数和增大阻尼系数均能明显降低累计位移。 因此， 可以通过限制重型车限速和增设桥塔阻尼器的措 施控制梁端纵向位移， 以减轻缩缝病害。 参 考 文 献 ［1］ LIMA JM， BRITOJD．Inspectionsurveyof150 expansionjoints in road bridges［J］ ． Engineering Structures， 2009， 31 5 1077 －1084． ［2］ 李杨海，程潮洋，鲍卫刚，等． 公路桥梁伸缩装置实用手 册［ M］ ． 北京人民交通出版社， 2007． ［3］ 黄灵宇． 大跨钢桥伸缩缝的性能评估与病害控制研究 ［ D］ ． 南京东南大学， 2017． ［4］ GUO Tong，LIU Jie，HUANG Lingyu．Investigation and control of excessive cumulative girder movements of long- span steel suspension bridges［J］ ． Engineering Structures，2016， 125 217 －226． ［5］ LIMA J M，BRITO J D． Management system for expansion joints of road bridges ［J］ ．Structure and Infrastructure Engineering， 2010， 6 6 703 －714． ［6］ 丁勇， 黄奇，谢旭，等． 载重汽车桥梁伸缩缝跳车动力荷 载计算方法与影响因素分析［J］ ． 土木工程学报，2013， 46 7 98 －107． DING Yong，HUANG Qi，XIE Xu，et al． A computational for the dynamic load in heavy- vehicle bumping at the bridge expansion joint and analysis of the influencing factors ［J］ ．China Civil Engineering Journal，2013，46 7 98 －107． ［7］ YODA T，AYASHI M． Design of bridge expansion joints with perforated dowels under impact loading ［ J］ ． Transactions of Tianjin University， 2008， 14 5 340 －343． ［8］ 王立成，王清湘，司炳君，等． 模块型桥梁伸缩缝疲劳试 验研究［ J］ ． 土木工程学报， 2004， 37 12 44 －49． WANG Licheng，WANG Qingxiang，SI Bingjun，et al． Experimental research on fatigue testing of modular bridge expansion joint［ J］ ． China Civil Engineering Journal， 2004， 37 12 44 －49． ［9］ GHIMIRE J P，MATSUMOTO Y，YAMAGUCHI H，et al． Numerical investigation of noise generation and radiation from an existing modular expansion joint between prestressed concrete bridges［ J］ ． Journal of Sound and Vibration， 2009， 328 1 129 －147． ［ 10］ 公路桥涵设计通用规范 JTG D602015［ S］ ． 北京 人民 交通出版社股份有限公司， 2015． ［ 11］ AASHTO LRFD bridge design specificationsSection 14 Joints andbearings ［S］ ．8thed．WashingtonDC AASHTO， 2017． ［ 12］ 孙君， 李爱群， 丁幼亮，等． 大跨悬索桥结构损伤预警系统 的设计与实现研究 ［ J］ ． 振动与冲击， 2009， 28 12 53 －57． SUN Jun，LI Aiqun，DING Youliang，et al．Design and implementation of damage early warning system for long- span suspension bridge［J］ ．Journal of Vibration and Shock， 2009， 28 12 53 －57． ［ 13］ Run Yang Crossing- Nan Cha Main Bridge expansion joint regular inspection report［ R］ ． ShanghaiMageba Shanghai Bridge Products Co． ，Ltd． ， 2011． ［ 14］ GUO Tong，LIU Jie，HUANG Lingyu．Investigation and control of excessive cumulative girder movements of long- span steel suspension bridges［J］ ． Engineering Structures，2016， 125 217 －226． ［ 15］ ANSYS，Version 10． 0user’ s manual［M］ ． Canonsburg，